纤维改性滨海水泥土的直剪和无侧限特性试验研究

吴王意 应乘风 李 娜 朱亚兰 周权洲

(1.绍兴文理学院 土木工程学院，浙江 绍兴312000；2.长业建设集团有限公司，浙江 绍兴312000)

随着沿海城市经济的快速发展，建设需求不断增加，而东南沿海地区滨海软土分布广泛，工程条件比较特殊[1-3].滨海软土具有强度低、压缩性大、渗透性小等特点，为了满足工程需求，在进行工程建设前，需要对地基进行处理，采取相应的加固措施[4-7].近年来，众多学者对滨海软土的特性进行了研究，雷华阳、王常明、徐珊等[8-10]对滨海软土的蠕变特性进行了不同加荷方式下的蠕变试验，建立了相应的蠕变模型；邹圣锋、李西斌等[11-12]通过渗透试验测定不同水头压力下的土体渗透系数，提出新的非线性渗透模型；王伟等[13]对冻融循环作用后的原状滨海软土进行了三轴试验，引入应力相对软化系数，提出了冻融循环作用下软土的应力应变软化模型；张建新、黄浩然、翁鑫荣等[14-16]通过三轴试验，分析了不同应力路径下滨海软土力学性状与初始固结状态的关系.也有一些学者对滨海软土掺加混合材料后的效果进行了研究，杨爱武等[17-18]以石灰作为主剂，水泥、石膏作为辅剂改良天津滨海软土，以无侧限抗压强度作为固化效果判断标准，试验表明在软土中加入固化剂及适量外加剂，能有效提高软土的工程力学性能；周世宗等[19]以矿渣、粉煤灰换掺水泥对广州南沙软土进行固化处理，得出了固化土体的内摩擦角、黏聚力、无侧限抗压强度随各种固化剂掺入量及龄期的变化关系；唐朝生等[20]提出将聚丙烯纤维的物理加筋作用同水泥的化学加固作用相结合，通过无侧限抗压强度试验表明，纤维的加入降低了水泥土的脆性，提高了水泥土的断裂破坏韧性.

以上研究表明，通过在滨海软土中添加复合材料，可有效改善滨海软土的力学特性.本文通过直剪试验、无侧限抗压试验，研究滨海软土加入水泥及纤维后的力学特性改善效果，以期为滨海软土地基处理方案设计提供参考.

1 试验准备

1.1 试验原材料

试验所用原材料为滨海软土、水泥、纤维和水.滨海软土取自绍兴滨海新城江滨区域，主要物理力学指标见表1.水泥为PO42.5的硅酸盐水泥，产自安徽海螺水泥股份有限公司.纤维为聚丙烯纤维，该纤维分散性较佳，不抱团，化学性能稳定，与水泥表面握裹力强且有较高的强度和弹性模量，详细技术指标见表2，散装纤维见图1.

1.2 试样制作

试样按材料分为两类，一类由滨海软土、水泥、水按重量比10∶1∶6.5混合而成，简称普通水泥土；一类由滨海软土、水泥、纤维、水组成，简称纤维水泥土，其中滨海软土、水泥、水重量比仍为10∶1∶6.5，另加总重量1%的纤维.直剪试验的试样为直径61.8 mm、高度20 mm的圆饼，无侧限抗压试验的试样为直径39.1 mm、高80 mm的圆柱，各试样制作完成后，表面封上保鲜膜养护.

表1 滨海软土主要物理力学指标

指标名称天然含水量/%土层埋深/m容重/g·cm-1孔隙比饱和度/%液限/%塑限/%塑限指数液限指数有机物含量/%指标值581-351.631.74984725241.346.5

表2 聚丙烯纤维主要技术指标

纤维类型纤维直径/μm纤维长度/mm抗拉强度/MPa弹性模量/GPa拉伸极限/%束状单丝18-486>358>3.5>15

图1 聚丙烯纤维

1.3 试验方案

1.3.1 直剪试验方案

试验共分为两组，一组为普通水泥土，另一组为纤维水泥土，每组制作4个试样，室内常温养护7 d.直剪试验时，法向应力分别设为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa，剪切速度均为1 mm/min.试验设备使用全自动四联直剪仪，该设备通过计算机进行数据自动采集，一次可同时进行四个不同法向应力的直剪试验，如图2所示.

图2 全自动四联直剪仪

1.3.2 无侧限抗压试验方案

试验同样分为普通水泥土和纤维水泥土两组，每组制作5个试样，龄期亦为7 d.无侧限抗压试验时，剪切速度设为1 mm/min.试验设备使用应变控制式无侧限压缩仪，该设备可通过计算机控制实现试验操作全过程的自动化，如图3所示.

图3 应变控制式无侧限压缩仪

2 实验数据

2.1 直剪试验

将一组4个试样分别放入四个直剪盒内，法向应力分别设为100 kPa、200 kPa、300 kPa和400 kPa.在四个不同的法向应力下，分别测得普通水泥土与纤维水泥土共8个试样的剪应力和剪切位移，剪应力-剪切位移曲线如图4所示，剪切破坏后的试样见图5.

图4 剪应力-剪切位移曲线

(a)普通水泥土 (b) 纤维水泥土图5 直剪破坏后的试样

2.2 无侧限抗压试验

无侧限抗压试验，剪切速度为1mm/min.普通水泥土和纤维水泥土共10个试样，测得的应力应变数据如图6所示.其中(a)为普通水泥土试样的应力应变曲线，(b)为纤维水泥土的应力应变曲线，图中No.1～No.5表示5个试样分别测得的数据.剪切破坏后的试样见图7.

(a) 普通水泥土

(b) 纤维水泥土图6 应力-应变曲线

(a)普通水泥土 (b) 纤维水泥土图7 破坏后的试样

3 数据分析

3.1 直剪试验

由图4可知，剪应力随着剪切位移的不断增加而变大，到达某一阶段后，出现平滑或缓慢上升的趋势，没有明显的峰值.根据《土工试验规程》取剪切位移为4 mm时对应的剪应力作为抗剪强度，可得到不同法向应力下对应的抗剪强度，具体数值见表3.从表中可以看出，在100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa四个法向应力下，纤维水泥土的抗剪强度均高于普通水泥土，抗剪强度值增加比率在8.4%～17.6%之间，增加比率先增加再减少，法向应力200 kPa下，增加比率最高.

表3 不同法向应力下的抗剪强度/kPa

法向应力/kPa100200300400普通水泥土203313417555纤维水泥土220368468615增加比率/%8.417.612.210.8

根据库伦抗剪强度定律，土的抗剪强度是剪切滑动面上的法向应力的线性函数，即：

τf=c+σtanφ

(1)

式中，τf为土的抗剪强度(kPa)，σ为剪切滑动面上的法向应力(kPa)，c为土的黏聚力(kPa)，φ为材料的内摩擦角(°).

依据表3中数据，绘制普通水泥土与纤维水泥土的抗剪强度的散点图，如图8所示，得到趋势线的线性函数分别为：

y=1.160x+82.0

(2)

y=1.285x+96.5

(3)

根据式(1)，直线与纵坐标的交点即为黏聚力c，直线的斜率即为内摩擦角φ的正切值.由式(2)和式(3)可知，普通水泥土的黏聚力c为82.0 kPa，内摩擦角φ为49.2°，纤维水泥土的黏聚力c为96.5 kPa，内摩擦角φ为52.1°.纤维水泥土比普通水泥土的黏聚力增加17.7%，内摩擦角增加5.9%.可见，纤维的掺入明显提高了土体的黏聚力与内摩擦角，从而提高了土体的抗剪强度.

图8 抗剪强度曲线

图9 纤维水泥土和普通水泥土的无侧限抗压强度对比

3.2 无侧限抗压试验

从图6可以看出，纤维水泥土和普通水泥土在加荷初期，强度上升很快，过了峰值点后，纤维水泥土下降趋势比水泥土缓和，这意味着在破坏后，强度不会立即发生大幅度降低，有一定缓冲期，明显改善了水泥土的脆性破坏形式.

图6中应力应变曲线的峰值点即为无侧限抗压强度，纤维水泥土与普通水泥土分别可以获得5个无侧限抗压强度值(见图9).测试数据会因材料、环境、测量精度、操作熟练度等因素，存在一定偏差，并不会完全一致.因此对图9中5个试样的数据进行分析，依据公式(4)，计算出纤维水泥土与水泥土的无侧限抗压强度均值分别为476 kPa和433 kPa，纤维水泥土比水泥土的无侧限抗压强度增加了10%.

(4)

4 结语

通过纤维水泥土与水泥土的直剪试验、无侧限抗压试验，分析了纤维水泥土的抗剪强度、无侧限抗压强度，得到如下结论：

(1)在不同法向应力下，纤维水泥土的抗剪强度均高于水泥土，抗剪强度值增加比率在8.4%～17.6%之间，增加比率先增加再减少，法向应力200 kPa下，增加比率最高.

(2)纤维水泥土比水泥土的黏聚力增加17.7%，内摩擦角增加5.9%，纤维的掺入明显提高了土体的黏聚力与内摩擦角.

(3)纤维水泥土比水泥土的无侧限抗压强度增加了10%，掺入1%的纤维，即可有效提高土体的无侧限抗压强度.

需要说明的是，本文仅讨论了7 d龄期下纤维对水泥土的力学增强作用，该增强作用随龄期变化的时间效应有待进一步深入研究.